基于Fluent 仿真的煙葉流體運動軌跡數(shù)值模擬

趙豐，袁銳波，黎西

（650504 云南省 昆明市 昆明理工大學 機電工程學院）

0 引言

煙葉風分作為打葉復烤中最重要的工序之一，對后續(xù)工序和卷煙感官品質都有重要影響[1-2]。煙葉風分器是實現(xiàn)煙葉風分的最主要的設備，其工作原理是經打葉后的煙葉[3]（含純葉片、葉梗和梗）經一次拋料輥后，以一定速度被拋進風分室，由于物料自身質量的不同以及在均勻上升的氣流場中懸浮速度的差異，在恒定的風速下將打葉后的煙葉進行葉梗分離，把合格的葉片與葉梗分離開來，使葉片與葉梗均達到相應的質量標準[4-5]。

目前國內外對煙葉風分過程的研究較少，特別是煙葉風分過程的可視化模擬，并且在實際的煙葉風分過程中也多是憑經驗判斷，這種方式缺乏科學性且明顯限制了煙葉風分效率的提高，也不能滿足精細化生產的要求，因此在風分過程的“灰箱”基礎之上繼續(xù)探索“白箱”模型是有必要的[6-7]。本文是在多流場（風場、重力場及煙葉流體等）作用下對煙葉風分過程的研究，通過在煙葉風分生產線采集到的數(shù)據，優(yōu)選出葉含梗量最少的工況，利用離散元法對風分過程進行模擬仿真，具體分析煙葉在風分過程中的運動情況，提高仿真的精度及可靠性，滿足精細化生產的要求[8]。

1 理論建模

經定量稱重后（如圖1 所示），將打葉后的煙葉大致分為3 種：（1）不含梗或含梗較少的葉片；（2）葉梗或含梗多的煙片；（3）純梗。風分時，打葉后的煙葉在拋料輥的作用下被拋入風分風場中，通過空氣動力學原理將兩種類型煙葉按適當結構和比例分離，然后往復進行如上過程，直至物料中含梗率等指標符合相應質量要求。在風分室中，每一個煙葉片都受到其自身重力和氣流對它向上的浮力，質量小的煙葉在流場的作用下上浮，質量大的葉梗則在重力的作用下下降。為便于從理論上研究，考慮到煙葉形狀的復雜性，我們設定煙葉類型為DPM 模型的球形顆粒[9]。煙葉在風分器風分過程中受到3 個作用力，煙葉自身重力G、浮力Ff和曳力。

圖1 煙葉定量稱重Fig.1 Quantitative weighing of tobacco leaves

（1）重力

重力是指煙葉在風分室內的運動中受到的引力。

式中：ρy——煙葉顆粒密度，kg/m3；V——煙葉球形顆粒的DPM 體積，m3；R——煙葉球形顆粒的DPM 半徑，mm；my——煙葉顆粒實際質量，kg；g——重力加速度，9.81 m/s2；

（2）曳力

曳力是指流體與固體顆粒之間有相對運動，此時會發(fā)生動量傳遞。顆粒表面對流體有阻力，流體則對顆粒表面有曳力。由于風分室內風力的存在，煙葉可看作固體顆粒，大量煙葉顆粒在風分室內的運動又組成了流體的運動?？紤]到煙葉顆粒在流場中所做的運動主要在水平和垂直方向，因此煙葉顆粒在流場中的曳力Fy表示公式為

式中：Cd——曳力系數(shù)；Ap——球體垂直于氣流作用力最大橫截面積，m2；ρ——常溫常壓下的空氣密度，kg/m3；uf——氣相速度，m/s；up——氣流場中的煙葉顆粒產生的速度，m/s；

（3）浮力

浮力是指氣體中的煙葉顆粒，受到氣體向上托起的力。

再由牛頓第二運動定律∑F=mya，建立煙葉顆粒在風分流場中的運動數(shù)學模型如下：

將式（1）—式（4）化簡為

由上述分析可以得到，煙葉在風分室內運動時的動態(tài)特性主要與煙葉垂直于氣流作用力最大橫截面積、煙葉顆粒半徑及密度、曳力系數(shù)等因素有關。

2 試驗結果

本次試驗數(shù)據采集的某煙廠打葉復烤生產線（如圖2 所示）的現(xiàn)場數(shù)據。本次試驗根據煙葉風分生產實際的工藝參數(shù)設定的工況框欄開口分別為2.8、3.0、3.2、3.4、3.6，打輥轉速分別為47 r/s、48 r/s、49 r/s、50 r/s 進行試驗。試驗過程為先對風分煙葉進行稱重，記錄每組試驗煙葉的總重量（如圖1 所示），然后調整風分器工況參數(shù)，使風分器開始工作，待風分器工作穩(wěn)定后，保持設定的框欄開口不變，打輥轉速根據預先設定的參數(shù)依次改變，此時記錄風分過程中風分出來的葉重、梗重、葉梗。在風分過程中，煙葉不可避免會有造碎率，且在風分生產過程中會產生一定的損耗。為保證試驗得到的風分數(shù)據的精度及可靠性，實驗分3 次進行，分別記錄3 組數(shù)據，最終得到各工況下最優(yōu)的出片率試驗數(shù)據。如表1 所示。

圖2 煙葉風分裝置Fig.2 Tobacco air separation device

風分出總量一定的情況下，考慮到風分器出梗的量變化不大（出梗率較穩(wěn)定），當風分出葉含梗的量最少時，即此時風分出的純葉片的含量也最大，忽略每次采集的總重量不同及在風分過程中造碎率的影響，現(xiàn)將表1 中的不同工況下采集到實驗的數(shù)據，優(yōu)選出葉含梗量最少的4 組數(shù)據，如表2 所示，結合每組風分過程的工況及3種煙葉類型的占比，作為仿真中DPM 模型流量建立的基礎，進行煙葉風分過程的仿真。

將表中采集到的數(shù)據進行線性處理，得到在打輥轉速分別為47，48，49，50 r/s 的工況下隨著框欄開口的增大（2.8，3.0，3.2，3.4），風分后所得葉含梗的比重變化曲線圖（見圖3），發(fā)現(xiàn)葉含梗最少時，煙葉出片率越好。如圖3 所示，橫坐標為框欄開口，縱坐標為風分出的葉含梗所占比重，4 種不同的曲線表示在風分過程中隨著預先設定的4 種打輥轉速的條件下，依次改變框欄開口的大小，得到的葉含梗所占比重的值。

圖3 葉含梗所占比重-框欄開口Fig.3 Proportion of leaves containing stems-frame opening

從圖3 可以看出，當打輥轉速為47 r/s 時，依次改變框欄開口（2.0，3.0，3.2，3.4），風分后所得葉含梗比重變化趨勢是先減少后增大，且在框欄開口為3.0 處時葉含梗比重最少，約為37%，而此時所得純煙葉片的量最多，約為51%，即此種工況下風分后所得煙葉葉片的含量較多，風分效果也較好。此時再增大框欄開口，所得煙葉葉片的量反而減少。可見，在此打輥轉速下，并不是框欄開口越大越好；當打輥轉速為48 r/s 時，依次改變框欄開口，風分后所得葉含梗比重變化趨勢是先減少后增加再減少，且在框欄開口為3.4 時，葉含梗占比量最少，約為36%，而此時所得純煙葉片的量最多，約為54%，即此時風分后所得煙葉葉片的含量較多，出片率效果很好。在此打輥轉速條件下，適當增大框欄開口，可以有效提高煙葉的風分效率；當打輥轉速為49 r/s 時，依次改變框欄開口，風分后所得葉含梗比重變化趨勢逐漸減少，且在框欄開口為3.4 時，葉含梗比重最少為35%，而所得純煙葉片的量最多，為55%，即此種工況下風分后所得煙葉葉片的含量較多，此時的風分效果很好，在此打輥轉速工況下，適當增大框欄開口，對提高煙葉葉片的比重更明顯；當打輥轉速為50 r/s 時，依次改變框欄開口（2.0，3.0，3.2，3.4），風分后所得葉含梗的比重變化趨勢先減少后增加再減少，且在框欄開口為3.0 時，所得葉含梗比重最少為36%，而純葉片的量最多，為52%，即此種工況下風分后所得煙葉葉片的含量較多，此時的風分效果很好。此時再增加打輥轉速，所得純葉片的量反而有所減少。

3 煙葉風分仿真結果分析

通過從某煙廠煙葉風分生產線實地考察后發(fā)現(xiàn)，在煙葉風分實際生產中對于風分室內葉片和葉梗的運動狀態(tài)無法觀察，為了模擬出煙葉在風分室內部的運動狀態(tài)，本文通過優(yōu)選得到4 組最佳出片率的工況，利用離散元法對這一過程進行模擬分析，使我們可以更直觀地得到煙葉和煙梗在風分過程中的運動軌跡。首先建立煙葉分風機的三維模型，選擇三維畫圖軟件SolidWorks2016；然后將煙葉分風機的三維模型導出，保存為.x_t 格式，將分風機的三維模型導入Workbench 19.0 中，對煙葉分風機進行網格劃分；隨后在Fluent 中進行煙葉風分過程的仿真模擬。

由于煙葉顆粒是離散型的，因此選擇離散相模型。在煙葉風分過程中考慮到湍流模型的影響，這里選擇realizable k-ε 湍流模型（如圖4 所示），壁面條件設置為Moving wall，坐標系為旋轉坐標系,其它部位設置為絕對坐標系，氣相材料設置為空氣，且為常溫、常壓。物料進口和網帶均設置為速度入口，煙葉顆粒進料口速度設置為1.2 m/s，進風口的風速設為11 m/s，二次拋料輥轉速為30 r/s。添加煙葉的DPM 離散相模型，設置沿Y 方向初速度為1.2 m/s。射流源設置為surface，煙葉類型選擇慣性顆間粒inert，煙葉材料屬性設定為中等密度值，然后再對離散相的邊界條件進行設置。入風口設置為escape，進料口和壁面設置為reflect，兩個出料口設置為trap。設置完成后可得到煙葉顆粒風分過程仿真的速度和軌跡云圖。

圖4 邊界條件設置Fig.4 Boundary condition setting

如圖5 所示，煙葉顆粒以一定初速度（一次拋料）進入風分室流場區(qū)域，在流場中的速度開始變化，此時煙葉顆粒在進料口、二次拋料輥和煙葉出口處速度較大，速度最大為1.40 m/s。在風分流場中部區(qū)域，由于此時煙葉顆粒已經大量分散，并且在進風口風力及二次拋料的影響下，易形成渦流，此時煙葉顆粒處于渦流中間，導致煙葉顆粒速度較小，但也對大量煙葉顆粒在流場內形成的重疊空間的減少有很好的作用。其中，純煙葉葉片和含梗葉片速度變化較明顯，葉片顆粒在出料口的速度最大。在整個速度流場內，4種工況下的煙葉顆粒速度也略有差異，這說明不同工況對顆粒的運動產生了影響。

圖5 4 種工況下顆粒在流場中的速度圖Fig.5 Velocity diagram of particles in flow field under four working conditions

如圖6 所示，4 種工況下純煙葉顆粒以一定速度進入風分室內，受風分室內各流場因素的影響，其開始向風分器出料口的方向運動，而梗和帶梗的煙葉由于自身重力的影響發(fā)生沉降，由于大量煙葉顆粒流體在風分室內受到風及重力場的影響易形成重疊空間，而部分純煙葉由于受到風分室內重疊空間的影響會發(fā)生沉降，因此會由進料口降落到二次拋料輥，經過二次拋料輥對煙葉顆粒的拋灑，純煙葉顆粒及部分帶梗的煙葉（帶有極少量梗的葉片）在風力的作用下向出料口運動并被風分出去，剩下的梗及帶梗的煙葉沉降到傳送帶，被帶出風分室并進行下一工序。

對比圖6 可以發(fā)現(xiàn)，圖6（a）中風分出的煙葉顆粒大多是由一次拋料風分出來的，且煙葉顆粒大部分分散在風分室中部；圖6（b）和圖6（c）中風分出的煙葉顆粒是由一次拋料和二次拋料風分出來的，且煙葉顆粒在風分室內的分散效果較好；圖6（d）中風分出的煙葉顆粒是由一次拋料和二次拋料風分出來的，而且煙葉顆粒在風分室內的停留時間較長，最長停留時間為6.3 s。在整個風分流場內，4 種工況下的煙葉顆粒運動軌跡也略有差異，這說明不同工況對顆粒在流場內停留的時間產生了影響。

圖6 4 種工況下煙葉顆粒在流場中軌跡圖Fig.6 Trajectories of tobacco particles in flow field under four working conditions

4 結論

通過在某煙廠采集的現(xiàn)場數(shù)據，得到煙葉在風分過程中的工況條件，精確仿真出煙葉顆粒在風分室內的運動過程。

本文不僅考慮框欄開口、打輥轉速等因素對于風分出片率的影響，并且在此基礎上優(yōu)選出4組數(shù)據進行仿真，從流場中的煙葉顆粒本身進行分析，得到不同工況下煙葉顆粒在流場內的運動及煙葉顆粒在流場內停留的時間。

通過仿真發(fā)現(xiàn)，由于風分室內存在多場耦合，大量煙葉顆粒流體在風分過程中會有渦流及重疊空間的現(xiàn)象，并且這些因素對煙葉的出片率有一定的影響。